光學(xué)原理在農(nóng)作物害鳥防治中的應(yīng)用

歐英雷

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣自動(dòng)化系，廣東 廣州510510）

1 引 言

自然光入射到非均勻介質(zhì)的界面上，會(huì)發(fā)生反射、散射和色散現(xiàn)象．我們將利用光在金屬界面上所發(fā)生的反射、散射和色散現(xiàn)象，并結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的害鳥防治問題，研制了能驅(qū)趕害鳥的光學(xué)系統(tǒng)，依靠自然光與物質(zhì)相互作用時(shí)的漫反射、散射和色散現(xiàn)象，仿真出鳥類的天敵，對(duì)害鳥的視覺系統(tǒng)造成影響，防止其對(duì)農(nóng)作物的破壞作用，達(dá)到綠色農(nóng)業(yè)、物理防治的目的．

2 理論依據(jù)

在光學(xué)性質(zhì)不同或2種折射率不同的非均勻介質(zhì)的界面上，無論太陽光是直射還是斜射，都會(huì)在各個(gè)方向上觀察到反射光、散射光和色散光，或者是它們中的某種光．

2．1 反射光的測(cè)定

設(shè)入射光在分界面上的截面積為ΔAi，入射光能流密度為Si，入射角為θi，則入射光能流為

每秒入射到分界面的單位面積上的光能量為［1］

根據(jù)理論證明，入射光的平均能流密度為

所以

其中：ε0，μ0和n1均為介質(zhì)常量，E0i為入射光的電矢量．

用同樣的方法，可以推導(dǎo)出從分界面單位面積上每秒反射的能量為［2］

式中：θr為反射角，E0r為反射光的電矢量．反射率R為

我們希望反射光強(qiáng)盡可能大，從上述公式中可見，反射率R和3個(gè)因素有關(guān)：入射光的偏振態(tài)、入射角以及介質(zhì)的折射率，這里不對(duì)這些影響反射率的因素做進(jìn)一步的討論．

對(duì)于不均勻界面，太陽光照射到各個(gè)細(xì)小部分的入射角不等，其反射光將射向各個(gè)方向，形成漫反射．一個(gè)完美的漫射體，或者稱之為朗伯漫射體，在任何角度下均有相同的表觀亮度，單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射為I0cosθ1′，其中θ1′為輻射方向與表面法線的夾角，I0是面元在垂直方向的輻射強(qiáng)度．

2．2 散射光的測(cè)定

任何物質(zhì)的表面不可能是完美的幾何界面，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，界面還在不斷地變化．在入射的自然光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，界面上的任何凹凸部分都可認(rèn)為是一個(gè)非常小的不規(guī)則“區(qū)域”，入射自然光的散射現(xiàn)象就是由于大量排列不規(guī)則的非均勻的小“區(qū)域”的集合造成的，這些非均勻小“區(qū)域”的線度一般比自然光波長(zhǎng)小．對(duì)于每個(gè)小“區(qū)域”，散射會(huì)使入射光在原來傳播方向上的光強(qiáng)度減弱，遵從指數(shù)規(guī)律［4］：

式中：αa是吸收系數(shù)，as是散射系數(shù)，兩者之和α稱為衰減系數(shù)，l為傳播距離．上式表征光入射介質(zhì)時(shí)因介質(zhì)的散射和吸收的共同作用而使光強(qiáng)度減弱的程度．

2．3 色散光的測(cè)定

光學(xué)材料的折射率隨波長(zhǎng)的變化稱之為色散．光學(xué)晶體的折射率在可見光范圍內(nèi)變化的幅度通常在1．45～1．90之間，色散的大小與所選定的波長(zhǎng)范圍有關(guān)，一般人眼的感光范圍為0．4～0．76μm．在以人眼作為接收器的光學(xué)系統(tǒng)中，多選擇 F 線 （λ＝0．486 1μm）和 C 線 （λ＝0．656 3μm）作為校正色差的范圍，在這個(gè)范圍之外，人眼的靈敏度是很低的．通常所說的色散就是指這個(gè)波長(zhǎng)范圍，用nF－nC或γ（阿貝數(shù)）表示［5］．

自然光入射到非均勻介質(zhì)的界面上，介質(zhì)表面部分是很“粗糙”的，凹凸不平的線度可以與自然光的波長(zhǎng)相比擬．“粗糙”的界面就等同于微棱鏡，光照射在這微棱鏡上會(huì)發(fā)生色散，如果在介質(zhì)表面上鍍上1層或幾層分光膜，也可使入射的光線發(fā)生分光．分光膜可以將投射到膜層的光束按照一定比例的光強(qiáng)度或光譜分布要求分成反射和透射2束光．常用的光強(qiáng)度分光膜是透射和反射相同的半透半反膜，其鍍層材料多為金屬鉻．光譜分光膜卻將投射到膜層上的光線中的某一部分波長(zhǎng)的光反射，另一部分波長(zhǎng)的光透射，形成特定的光譜分布［6］．

2．4 鳥類視覺系統(tǒng)的特性

鳥類主要靠視覺尋找食物，在感覺器官中以視覺最發(fā)達(dá)，聽覺次之，嗅覺最為退化．鳥眼的相對(duì)大小，在脊椎動(dòng)物中是占第一位的；視覺的敏銳程度，在脊椎動(dòng)物中也是首屈一指的．鳥眼的視網(wǎng)膜上有2個(gè)中央凹，人類每只眼睛中只有1個(gè)中央凹；鳥眼中央凹的感光細(xì)胞每平方毫米多達(dá)100萬個(gè)左右，而人眼僅約15萬個(gè)．鳥眼比人眼敏銳，能夠看清距離1 000 m以外的物體，視力比人類高出8倍．鳥類的眼內(nèi)具有神奇的“雙重調(diào)節(jié)”的能力，一是以睫狀肌的收縮來改變水晶體的形狀和水晶體與角膜間的距離；二是改變角膜的凸度．能在瞬間把“遠(yuǎn)視眼”調(diào)節(jié)為“近視眼”［7］．

鳥類視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞有2種，一種是錐狀細(xì)胞，另一種是柱狀細(xì)胞．白天活動(dòng)的鳥類視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞主要是錐狀細(xì)胞；夜間活動(dòng)的鳥類主要是由柱狀細(xì)胞組成．錐狀細(xì)胞具有色覺感應(yīng)，柱狀細(xì)胞具有光強(qiáng)感應(yīng)．而錐狀細(xì)胞又主要對(duì)3種不同的波長(zhǎng)的光有反應(yīng)，它們分別是藍(lán)光、綠光和紅光．因此，鳥眼視網(wǎng)膜上的錐狀細(xì)胞使它們能夠分辨出色彩斑斕的物體，看清環(huán)境、食物或天敵．鳥類自身羽毛的結(jié)構(gòu)色，又稱物理色，是由于鳥類羽毛上有極薄的蠟層、刻點(diǎn)、溝縫或鱗片等細(xì)微結(jié)構(gòu)，使光波發(fā)生散射、衍射或干涉而產(chǎn)生的各種顏色，這是鳥類視覺能分辨到的顏色．

鳥類的眼睛長(zhǎng)在頭部的兩側(cè)，和人類的眼睛不同，它不能上下左右靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)，這是由于它們的眼球?qū)嵲谔蟮木壒剩皖^部的體積相比，人類的眼球約占1%的體積，而鳥類的眼球卻占10%以上，周邊的動(dòng)眼肌也不發(fā)達(dá)．鳥類眼球的外圍，還有1圈鞏骨包圍，也使得眼球轉(zhuǎn)動(dòng)不易．因此，對(duì)于來自不同方向的、頻繁改變?nèi)肷浣嵌鹊墓饩€，將感到無法適從．

3 實(shí)驗(yàn)分析

自然光在非均勻介質(zhì)界面上發(fā)生反射、散射和色散現(xiàn)象，可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，利用這些光學(xué)現(xiàn)象來驅(qū)趕害鳥對(duì)農(nóng)作物的破壞作用．在對(duì)害鳥的防治方面，到目前為止還沒有找到一套行之有效的防治方法．害鳥種類繁多，分布范圍廣，單是我國(guó)就有鳥類1 180種，占全世界鳥類種數(shù)的13%以上，是世界上擁有鳥類最多的國(guó)家．鳥類的主要食物是以粒料中未經(jīng)加工的植物籽實(shí)為主，包括植物種子、瓜果類及青綠的菜葉等，因此，對(duì)害鳥的防治具有現(xiàn)實(shí)的意義．為此提出了3種利用鐳射太陽光反射膜來仿真鳥類的天敵，達(dá)到防治害鳥的做法．

3．1 光學(xué)材料的選型

分別選取了3種對(duì)太陽光具有良好反射、散射和色散作用的薄膜，如圖1～3所示，其厚度在10－5～10－4mm之間，寬度約為5～20 cm，正反兩面均鍍上凹凸不平的、非均勻的鋁層、銀層或其他金屬膜層，這些金屬鍍膜對(duì)太陽光產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射、散射和色散作用，在其表面將產(chǎn)生多種顏色的、有不規(guī)則圖案的色散光．這種混合光線對(duì)鳥類的眼球?qū)⒃斐蓮?qiáng)烈的影響，其主要原因是白天活動(dòng)的鳥類的感光細(xì)胞主要由錐狀細(xì)胞組成，錐狀細(xì)胞對(duì)藍(lán)光、綠光和紅光波長(zhǎng)的光波敏感，鳥類自身羽毛的色彩也是由這些波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光波構(gòu)成的．而從金屬薄膜上反射出來的光波，卻不在上述波長(zhǎng)范圍之內(nèi)，不屬于構(gòu)成鳥類羽毛色彩的光波，這種超出鳥類視網(wǎng)膜正常感光范圍的光線，往往會(huì)被鳥類誤認(rèn)為是來自自己天敵身上發(fā)出的光線，來自銀白色、金色或鐳射薄膜上的反射光線，與來自鳥類自身羽毛的藍(lán)光、綠光和紅光也是完全不同的，這就有效地干擾鳥類的視覺判斷系統(tǒng)，使之錯(cuò)將從金屬薄膜上反射回來的光波當(dāng)作從天敵身上反射出的光線．因此，金屬薄膜就具有了仿真鳥類天敵的功能，起到了借助鳥類“天敵”來驅(qū)趕害鳥的作用．

圖1 銀白色鍍膜薄膜

圖2 金色鍍膜薄膜

圖3 表面不均勻的鐳射薄膜

3．2 光學(xué)器材的安裝及使用方法

選取上述提到的3種金屬鍍膜薄膜中的任何一種，長(zhǎng)度約為幾m，根據(jù)需要防止害鳥的農(nóng)作物和果樹的高矮、形狀來決定．將薄膜的一端系于植物體上，另一端處于自由狀態(tài)，如圖4所示．安裝時(shí)，首先，應(yīng)盡量使整個(gè)薄膜體都暴露在太陽光線的直接照射之下，讓全天的太陽光都能直射到該薄膜上．第二，應(yīng)將該薄膜安裝在能被風(fēng)吹到的地方，這樣一來，在風(fēng)力的作用下，長(zhǎng)度為2 m，重量為10－2g的金屬鍍膜薄膜就會(huì)不停地?cái)[動(dòng)，這種擺動(dòng)改變了入射光的入射角，使反射光的傳播方向也發(fā)生了改變．還可以通過改變金屬條帶的寬度、厚度和長(zhǎng)度，來改變其重量和受風(fēng)力、受光照的面積，在風(fēng)力不定時(shí)，使金屬條帶的擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)角度發(fā)生變化．金屬條帶的無規(guī)則擺動(dòng)、飄動(dòng)和扭動(dòng)，增加了入射角度改變的頻率，使反射光強(qiáng)發(fā)生了變化．從上述理論推導(dǎo)的公式中可以得知，反射光強(qiáng)由反射率來決定，而金屬薄膜的反射率又與入射角有關(guān)，入射角的改變將造成反射光強(qiáng)的改變．根據(jù)鳥類視網(wǎng)膜上柱狀細(xì)胞具有光強(qiáng)感應(yīng)的特點(diǎn)，頻率和強(qiáng)度均隨時(shí)間發(fā)生變化的光線，將使鳥眼的晶狀體做“多重”的調(diào)節(jié)，最終影響其視覺的判斷能力．第三，該薄膜裝置只在白天起作用，夜晚將失去應(yīng)有的功能．害鳥是一種白天活動(dòng)的鳥類，在夜晚幾乎處于休息狀態(tài)，不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成危害，因此，這種光學(xué)裝置對(duì)于防止害鳥在白天對(duì)農(nóng)作物的破壞作用，具有獨(dú)到之處．

圖4 金屬鍍膜薄膜的安放

4 結(jié)束語

物理防治害鳥技術(shù)在綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用，尋求安全、高效、環(huán)保、低碳的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新技術(shù)是當(dāng)前的一個(gè)發(fā)展方向．自然光在特殊光學(xué)材料界面上發(fā)生的現(xiàn)象，對(duì)自然界中大多數(shù)鳥類的視覺系統(tǒng)都構(gòu)成重大影響，除了影響其眼球獨(dú)特的“雙重調(diào)節(jié)”功能外，還可以設(shè)計(jì)出不同的界面構(gòu)造，使自然光色散出不同顏色、不同圖案的圖像來，利用這些特別圖案來對(duì)鳥類造成威懾或恐嚇的作用，將其趕走．當(dāng)鳥眼觀察到不利于自己的圖像時(shí)，會(huì)受到嚴(yán)重的影響，因?yàn)轼B類是一種視覺反應(yīng)能力極強(qiáng)的動(dòng)物，在人類視覺系統(tǒng)看來無關(guān)緊要的改變，對(duì)鳥類視覺系統(tǒng)卻會(huì)造成強(qiáng)烈的反應(yīng)，人類視而不見的圖景，在鳥類看來都是巨大的變化．

［1］ 歐英雷．強(qiáng)光對(duì)視力近視者的影響及其對(duì)策［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（2）：32－33．

［2］ 歐英雷．光的偏振特性在機(jī)動(dòng)車安全駕駛中的應(yīng)用［J］．物理與工程，2011，21（6）：37．

［3］ 胡亞范，朱二曠，陳海良．測(cè)量棱鏡色散規(guī)律的方法改進(jìn)［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（1）：29．

［4］ 姚啟鈞．光學(xué)教程［M］．3版．北京：高等教育出版社，2004：383．

［5］ 胡家升．光學(xué)工程導(dǎo)論［M］．2版．大連：大連理工大學(xué)出版社，2005：494．

［6］ 王崢，徐平，王文文，等．瑞利散射和米氏散射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)演示［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（7）：28．

［7］ 董潤(rùn)民，于微光．鳥的飼馴與玩賞［M］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2001：30．